[논문 리뷰] The Structure of the Local Interstellar Medium V: Electron Densities

Seth Redfield, Ross E. Falcon|arXiv (Cornell University)|2008. 04. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 152

한 줄 요약

이 연구는 100 pc 이내의 13개의 근접한 별을 향한 고해상도 허블 우주망원경의 우주선에서의 C II∗ 및 C II 흡수선을 이용하여 국소간성간매체(LISM) 내 전자 밀도를 측정한다. 포화된 C II 라인으로 인한 과대평가 문제를 해결하기 위해 S II의 상호열량을 C II의 대체지표로 사용함으로써 전자 밀도 추정치의 정확도를 향상시켰으며, 평균 전자 밀도 $n_e = 0.11^{+0.10}_{-0.05}$ cm⁻³을 도출하였고, LISM의 열적 압력 $P/k = 3300^{+5500}_{-1900}$ K cm⁻³과 일치하는 로그노멀 분포를 규명하였다.

ABSTRACT

We present a comprehensive survey of CII* absorption detections toward stars within 100 pc in order to measure the distribution of electron densities present in the local interstellar medium (LISM). Using high spectral resolution observations of nearby stars obtained by GHRS and STIS onboard the Hubble Space Telescope, we identify 13 sight lines with 23 individual CII* absorption components, which provide electron density measurements, the vast majority of which are new. We employ several strategies to determine more accurate CII column densities from the saturated CII resonance line, including, constraints of the line width from the optically thin CII* line, constraints from independent temperature measurements of the LISM gas based on line widths of other ions, and third, using measured SII column densities as a proxy for CII column densities. The sample of electron densities appears consistent with a log-normal distribution and an unweighted mean value of n_e(CII_SII) = 0.11^+0.10_-0.05 cm^-3. Seven individual sight lines probe the Local Interstellar Cloud (LIC), and all present a similar value for the electron density, with a weighted mean of n_e(LIC) = 0.12 +/- 0.04 cm^-3. The Hyades Cloud, a decelerated cloud at the leading edge of the platoon of LISM clouds, has a significantly higher electron density than the LIC. Observed toward G191-B2B, the high electron density may be caused by the lack of shielding from such a strong radiation source. Given some simple assumptions, the range of observed electron densities translates into a range of thermal pressures, P/k = 3300^+5500_-1900 K cm^-3. This work greatly expands the number of electron density measurements and provides important constraints on the ionization, abundance, and evolutionary models of the local interstellar medium. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 고해상도 우주선 흡수선을 이용해 국소간성간매체(LISM) 내 전자 밀도를 측정한다.
• C II 공명선의 포화로 인해 C II 상호열량이 과대평가되는 문제를 해결한다.
• S II 상호열량을 C II의 대체지표로 사용하여 전자 밀도 추정의 정확도를 향상시킨다.
• 특히 국소간성간매체 구름(LIC)의 이온화 구조, 열적 압력 및 구름 동역학을 제약한다.
• 근접한 이온화원이 LISM 구름 내 전자 밀도 및 이온화 수준에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 100 pc 이내의 417개의 근접한 별을 향한 허블 우주망원경의 GHRS 및 STIS 기구로부터의 고해상도 우주선 스펙트럼을 활용한다.
• 전자 밀도에 민감한 전이를 식별하기 위해 C II∗ 흡수 성분을 탐색한다.
• C II 상호열량 정확도 향상을 위해 세 가지 전략을 적용: C II∗ 및 C II 선의 동시 피팅, 다른 이온선 너비로부터의 온도 제약, C II에 대한 S II의 대체지표 사용.
• 이온화 평형과 알려진 원자물리학을 가정하여 C II∗/C II 비율을 이용해 전자 밀도를 추론한다.
• 운동학적 및 공간 기준에 따라 특정 LISM 구름에 속도 성분을 할당한다.
• 이전 연구에서의 일반적인 온도를 가정하여 $P/k = n_e T$를 사용해 열적 압력을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 C II∗ 및 C II 흡수선을 통해 유추된 국소간성간매체 내 전자 밀도의 분포는 어떠한가?
• RQ2 C II 공명선이 포화되어 있을 경우 전자 밀도는 어떻게 정확히 측정할 수 있는가?
• RQ3 국소간성간매체 구름(LIC)의 전자 밀도는 얼마이며, 다른 LISM 구름과 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 LISM의 이온화 구조는 ε CMa와 같은 단일 강력한 자외선원에 의해 지배되는가?
• RQ5 온난한 LISM 구름 내 열적 압력의 범위는 무엇이며, 이전 추정치와 비교해보면 어떠한가?

주요 결과

• 연구는 23개의 개별 C II∗ 흡수 성분을 포함한 13개의 시선 방향을 식별하였으며, 대부분은 새로운 탐지 결과이다.
• S II를 C II의 대체지표로 사용함으로써 정확도가 크게 향상되고, 탄소 전용 분석에 비해 전자 밀도 분포가 더욱 날카롭게 수렴된다.
• 전자 밀도 분포는 로그노멀 프로파일과 일치하며, 무게 없는 평균은 $n_e = 0.11^{+0.10}_{-0.05}$ cm⁻³이다.
• 국소간성간매체 구름(LIC)의 가중 평균 전자 밀도는 7개의 독립적 시선 방향을 기반으로 $n_e = 0.12 \pm 0.04$ cm⁻³이다.
• 하이아데스 구름는 LIC보다 유의미하게 높은 전자 밀도를 보이며, 이는 G191-B2B의 강력한 복사장에 의해 줄어든 차폐로 인한 것으로 보인다.
• 유도된 열적 압력 범위는 $P/k = 3300^{+5500}_{-1900}$ K cm⁻³이며, C I 자극 상태로부터 이전 추정치와 일치한다.